基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，包括宽带光源(1)、隔离器(2)、光纤环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、1

【技术实现步骤摘要】
基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量方法


[0001]本专利技术涉及光电传感领域，具体为一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤布拉格光栅的流速测量系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]近些年来，光纤传感技术的发展突飞猛进，很快凭借其独特的优势成为传感
的重要应用技术。尤其是光纤光栅传感器利用的是波长解调方法，不容易受光源功率强度变化和光波相位、频率、偏振态等的影响，从而能够实现对温度、应变等物理量的准确、稳定测量。在所有光纤光栅传感器中，光纤布拉格光栅具有良好的应变和温度灵敏度，且其反射率和反射带宽可经由改变写入方式及条件实现调节，一般具有较高的反射率和较窄的反射谱，因而被广泛应用。
[0003]流量是工业生产和现代生活的重要参数，广泛存在于科学研究、工农业生产、国防建设等领域。随着各领域对流量测量需求的日益增多，该类仪器受到广泛关注，出现了多种新型的流量测量仪器，从原理上可分为差压式流量计、容积式流量计、热线式流量计、超声式流量计、涡街式流量计等。与电学传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、防水、灵敏度高、体积小、可嵌入等特点，容易组成光纤传感网络，可实现单纤多点和多参数传感，能够完成传统传感器很难甚至不可能完成的任务。
[0004]使用光纤光栅进行传感，传感信息是波长编码的，它的好处是可以避免光源功率波动、光路损耗等对测量结果的影响，因此如何对传感光栅的中心反射波长进行解调是光纤光栅传感技术中非常重要的一环。当前诸多流量测量着眼于管道等密闭条件下的小流量测量，针对开放环境中气流的流速检测鲜有报道，同时基于光纤布拉格光栅相位解调的振动传感系统往往系统比较复杂，系统中所需器件的经济成本较高，不适用于光栅检测网络的铺设和实际应用。

技术实现思路

[0005]基于上述问题，本专利技术提出一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量方法，利用可变谐振式流速传感器将流速转化为振动，利用高反射率光纤布拉格光栅对振动信号进行传感，实现了测量开放环境中气流流速的功能，并且系统中宽带光源可用LED灯进行代替，其他器件成本低廉，实现了以低成本、高灵敏度振动传感系统对流速的测量，解决了在流速测量领域对高成本振动传感系统的依赖。
[0006]本专利技术利用以下的技术方案来实现：
[0007]一种基于光纤光栅与非平衡马赫泽德干涉仪的流速测量系统，通过对振动信号采集和解调，实现了对流速的测量，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、隔离器(2)、光纤环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、1
×
2光纤耦合器(5)、2
×
2光纤耦合器(6)、三端口光电探测器(7)、数据采集卡(8)、上位机控制系统(9)和可变谐振式流速传感器(10)；非平衡马赫泽德干涉仪(11)；
[0008]其中，所述宽带光源(1)的输出端连接至隔离器的输入端，所述隔离器(2)的输出端连接至光纤环形器的输入端(301)，所述光纤环形器(3)的第一输出端(302)连接至所述光栅传感器(4)，所述光栅传感器粘附在可变谐振式流速传感器(10)上，光纤环形器的第二输出端(303)连接至所述非平衡马赫泽德干涉仪(11)的输入端；非平衡马赫泽德干涉仪的输出端与所述三端口光电探测器(7)相连，所述三端口光电探测器(7)输出端连接至数据采集卡的信号采集模块(802)；数据采集卡的信号输出模块(801)连接至上位机控制系统(9)；
[0009]所述1
×
2光纤耦合器(5)与所述2
×
2光纤耦合器(6)通过熔接机熔接构成有固定臂长差的非平衡马赫泽德干涉仪(11)；
[0010]所述可变谐振式流速传感器(10)由PVC塑料管、弹簧底座和压力膜片构成，相对于其他光纤光栅振动测量系统，本测量系统成本低廉，适合大面积铺设应用。
[0011]利用一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，该方法包括以下步骤：
[0012]步骤1、开启鼓风机使气流平行吹向可变谐振式流速传感器(10)入口，可变谐振式流速传感器的压力膜片受到风压影响使相连接的弹簧压缩，内部腔长发生变化，从而发出声音，将气流流速转化为有规律的振动信号；
[0013]步骤2、宽带光源(1)发出的光经过隔离器(2)后进入光纤环形器(3)，进入光纤环形器的光信号通过光纤光栅传感器(4)后的反射光携带振动信号经光纤环形器进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪(11)，进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪的光信号被1:1分为两路，一路通过信号臂，另一路通过参考臂；两路光信号经耦合器被分为1:1的两束进入三端口光电探测器(7)；
[0014]步骤3、利用三端口光电探测器把探测到的两路光信号进行光电转换后，数据采集卡(8)的数据信号采集模块(802)根据香农采样定律以大于待采集信号频率两倍的采集频率进行数据采集；
[0015]步骤4、数据信号输出模块(801)向上位机控制系统(9)输送数据采集信号；
[0016]步骤5、将数据采集信号送到上位机控制系统中的解调程序，所述解调程序采用非平衡马赫泽德光纤干涉解调算法进行处理；
[0017]步骤6、调控鼓风机使不同流速的气流吹向可变谐振式流速传感器(10)，重复以上步骤，将振动信号解调得到的频率与其流速一一对应，实现系统对流速的测量。
[0018]风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，根据伯努利方程得出的风速
‑
风压关系，风的动压为：
[0019]wp＝0.5
·
ro
·
v2ꢀꢀꢀ
(1)
[0020]其中wp为风压[kN/m2]，ro为空气密度[kg/m2]，v为风速[m/s]；
[0021]由于空气密度ro和重度r的关系为：
[0022]r＝ro
·
g
ꢀꢀꢀ
(2)
[0023]故标准风压公式为：
[0024]wp＝0.5
·
r
·
v2/g
ꢀꢀꢀ
(3)
[0025]空气重度r和重力加速器g随纬度和海拔高度而变，一般来说，r/g在高原上要比在平原地区小，即同样的风速在相同的温度下，产生的风压在高原上比在平原地区小；
[0026]可变谐振式流速传感器中的压力膜片受到的压力为：
[0027]F
N
＝wp
·
S
ꢀꢀꢀ
(4)
[0028]其中S为垂直于气流方向的压力膜片的面积，弹簧在F
N
的作用下压缩，空气腔长度变化量：
[0029]Δx＝F
N
/k
ꢀꢀꢀ
(5)
[0030]其中k为弹簧的劲度系数，劲度系数越小，可变谐振式流速传感器越灵敏。
[0031]经解调后的振动信号在频谱中频谱幅值最大时对应的频率值为振动信号的振动频率；将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，通过对振动信号采集和解调，实现了对流速的测量，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、隔离器(2)、光纤环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、1
×
2光纤耦合器(5)、2
×
2光纤耦合器(6)、三端口光电探测器(7)、数据采集卡(8)、上位机控制系统(9)和可变谐振式流速传感器(10)；非平衡马赫泽德干涉仪(11)；其中，所述宽带光源(1)的输出端连接至隔离器的输入端，所述隔离器(2)的输出端连接至光纤环形器的输入端(301)，所述光纤环形器(3)的第一输出端(302)连接至所述光栅传感器(4)，所述光栅传感器粘附在可变谐振式流速传感器(10)上，光纤环形器的第二输出端(303)连接至所述非平衡马赫泽德干涉仪(11)的输入端；非平衡马赫泽德干涉仪的输出端与所述三端口光电探测器(7)相连，所述三端口光电探测器(7)输出端连接至数据采集卡的信号采集模块(802)；数据采集卡的信号输出模块(801)连接至上位机控制系统(9)。2.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述宽带光源(1)可用LED灯代替，相对于其他光纤光栅振动测量系统，本测量系统构成器件经济成本低廉，适合大面积铺设应用。3.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器(4)为中心波长位于1550.08nm的光纤布拉格光栅传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述可变谐振式流速传感器(10)由PVC塑料管、弹簧底座和压力膜片构成。5.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述1
×
2光纤耦合器(5)与所述2
×
2光纤耦合器(6)通过熔接机熔接构成有固定臂长差的非平衡马赫泽德干涉仪(11)，一条为传感臂，另一条为参考臂。6.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、开启鼓风机使气流平行吹向可变谐振式流速传感器(10)入口，可变谐振式流速传感器的压力膜片受到风压影响使相连接的弹簧压缩，内部腔长发生变化，从而发出声音，将气流流速转化为有规律的振动信号；步骤2、宽带光源(1)发出的光经过隔离器(2)后进入光纤环形器(3)，进入光纤环形器的光信号通过光纤光栅传感器(4)后的反射光携带振动信号经光纤环形器进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪(11)，进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪的光信号被1:1分为两路，一路通过信号臂，另一路通过参考臂；两路光信号经耦合器被分为1:1的两束进入三端口光电探测器(7)；步骤3、利用三端口光电探测器把探测到的两路光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学智，李泽宇，刘铁根，江俊峰，刘琨，孙浩楠，金嘉航，薄文鑫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：